水壓光面爆破在大斷面淺埋地鐵車站主體隧道運(yùn)用＊

申秦川，應(yīng) 杰，陳高生

（1.重慶市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)工程質(zhì)量總站，重慶 400000；2.中國(guó)建筑第五工程局有限公司，重慶 400000）

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，由于隧道施工而給臨近環(huán)境帶來(lái)的不良影響越來(lái)越受到人們關(guān)注。在采用常規(guī)鉆爆法對(duì)工作面施工時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的機(jī)械振動(dòng)和噪聲，同時(shí)可能因地表沉降對(duì)周邊既有建筑造成安全隱患。在過(guò)去的幾十年里，已有較多學(xué)者對(duì)隧道爆破施工工藝做了大量研究和優(yōu)化，既有研究成果有光面爆破技術(shù)、靜態(tài)爆破技術(shù)、水壓光面爆破技術(shù)等[1]。其中水壓光面爆破技術(shù)在控制隧道超欠挖、炸藥用量、振動(dòng)幅值等方面有較大優(yōu)勢(shì)，同時(shí)其極小的粉塵污染符合目前的綠色施工理念，在降低爆破危害上效果顯著[2]。

1 工程概述

悅港大道站位于重慶市渝北區(qū)，屬于軌道交通5號(hào)線北延伸段地下工程。車站位于秋成大道下方。巖層從上到下分別為填土層、粉質(zhì)黏土層、沉積巖層。沉積巖層由頁(yè)巖、砂泥巖和砂巖組成，砂泥巖交界處巖性較差，為軟弱結(jié)構(gòu)面。巖體裂隙較發(fā)育，為塊狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)面受構(gòu)造裂隙控制，無(wú)斷層。巖層產(chǎn)狀：258°＜38°，巖層傾角較大，順層開挖具有滑塌風(fēng)險(xiǎn)。悅港大道站頂部距離地表15.2～18.5 m，站臺(tái)分為站廳和站臺(tái)兩層，屬于島式暗挖車站。局部地段拱頂位于填土段。其中約25.8 m 拱頂位于填土段，最深覆巖僅14.6 m，圍巖為頁(yè)巖與泥巖互層，且以頁(yè)巖為主，為淺埋隧道。車站左側(cè)走向與層面小角度相交，隧道易沿層面局部產(chǎn)生滑塌破壞，存在著由于圍巖擾動(dòng)而帶來(lái)局部失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)，因此在開挖時(shí)需嚴(yán)格控制爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng)。本工程主要的工程風(fēng)險(xiǎn)為淺埋暗挖大斷面隧道帶來(lái)的工程自身風(fēng)險(xiǎn)和工程建設(shè)對(duì)周邊環(huán)境造成的風(fēng)險(xiǎn)[3]。

2 隧道施工方案

2.1 總體施工設(shè)計(jì)

由前期地勘報(bào)告可知，本車站的圍巖等級(jí)為IV級(jí)，埋深在15.2～18.5 m。車站施工共分3 個(gè)斷面A1、A2、A3，其中A1 斷面面積為445.07 m2，A2 斷面與A3 斷面面積都為446.63 m2。3 個(gè)斷面均采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。其中A2 斷面和A3 斷面上部分處于土石回填區(qū)，通過(guò)人工配合機(jī)械的方法開挖，剩余部分通過(guò)鉆爆法進(jìn)行開挖。

由于車站隧道位于城市道路下，埋深30 m 以內(nèi)，且車站附近環(huán)境復(fù)雜，故車站隧道施工需要采用水壓光面控制爆破，控制城市道路路面及周圍建筑物處爆破震動(dòng)速度一般不超過(guò)1.5 cm/s，同時(shí)滿足相關(guān)構(gòu)筑物及設(shè)備防震動(dòng)要求。

2.2 開挖方法

如圖1 所示，本車站隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖，每個(gè)施工循環(huán)分為九步，除了局部上半斷面采用機(jī)械開挖外，均采用鉆爆法施工，注意“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”的施工原則。根據(jù)位移量測(cè)結(jié)果，評(píng)價(jià)支護(hù)的可靠性和圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)。在施工當(dāng)中，為確保人員生命安全，先進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，再根據(jù)實(shí)際情況，確定支護(hù)是否合理，做到動(dòng)態(tài)施工。將工作面清理之后，進(jìn)行測(cè)量放線，然后施作超前支護(hù)并注漿，最后進(jìn)行開挖。本工程雙側(cè)壁導(dǎo)坑每臺(tái)階長(zhǎng)度控制在3～5 m，核心土每臺(tái)階長(zhǎng)度控制在3 m 左右。

圖1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工序圖

3 水壓爆破技術(shù)開挖

3.1 水壓爆破介紹

為確保安全文明施工，引進(jìn)先進(jìn)施工工藝，悅港大道站嚴(yán)格采用水壓爆破開挖。隧道水壓光面爆破與隧道常規(guī)光面爆破的爆破設(shè)計(jì)和開挖方式基本相同，施工過(guò)程沒有增加太多工作量[4]。唯一不同的是水壓光面爆破的炮眼里增添了水袋，如圖2 所示。

圖2 水壓爆破圖

水壓爆破的炮眼中炸藥被水袋包住，爆炸產(chǎn)生的能量首先傳到水中，再由水傳遞到與之接觸的圍巖，由于水的不可壓縮性，此過(guò)程中爆炸能量損失較小，這樣相較于常規(guī)爆破更加有利于圍巖破碎。除此之外，會(huì)在爆破區(qū)產(chǎn)生大量水霧，有效減輕灰塵飛揚(yáng)，避免瓦斯爆炸[5]。

3.2 炮泥及水袋的制作

如圖3 所示，把水裝入長(zhǎng)200 mm、直徑35 mm的長(zhǎng)條狀塑料袋中，塑料袋厚0.1 mm，具有一定強(qiáng)度，防止其在裝進(jìn)炮眼時(shí)出現(xiàn)剮蹭破裂的情況。采用定制的自動(dòng)灌水封口機(jī)，加工效率高，每小時(shí)可制作700個(gè)水袋。

圖3 水袋

炮泥使用特制的炮泥機(jī)加工，長(zhǎng)200 mm，直徑35 mm。炮泥由土、砂和水混合組成，注意采用的黏土不能夾雜碎塊，砂采用普通河沙即可，土、砂、水的比例控制為0.76∶0.9∶0.15，將三者攪拌均勻后放入炮泥機(jī)，將其加工成如圖4 所示的炮泥。按照以上比例加工出的成品炮泥，具有軟硬適中的優(yōu)點(diǎn)。

圖4 炮泥

3.3 水壓光面爆破裝藥工序

按設(shè)計(jì)爆破要求，準(zhǔn)備好炮棍和相應(yīng)數(shù)量的絕緣膠帶；將提前加工好的水袋和炮泥放置在工作面附近；每個(gè)炮孔（除掏槽孔）放置1 個(gè)水袋，利用炮棍將其推入孔底；將炸藥和導(dǎo)爆雷管裝入炮孔；再次裝入水袋，將炮泥回填深度控制為40 cm（掏槽孔可視實(shí)際情況增加炸藥用量，減少水袋用量）；利用炮泥封堵炮孔；聯(lián)線起爆。

4 隧道施工爆破設(shè)計(jì)

4.1 起爆方式及順序

在隧道爆破施工現(xiàn)場(chǎng)，常采用并聯(lián)、并簇式起爆方式。本施工段采用毫秒延時(shí)雷管，隔段使用雷管進(jìn)行爆破。起爆順序?yàn)椋禾筒垩邸o助眼（掏槽區(qū)以外）→底板眼→輔助眼（內(nèi)層）→內(nèi)圈眼→光面爆破眼。為了保護(hù)臨近既有建筑物及管線的安全，振速不得超過(guò)1.5 cm/s。

4.2 水壓光面爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

4.2.1 A、D 斷面爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

關(guān)于建立罪犯離監(jiān)探親常態(tài)化機(jī)制的探索與思考四川省監(jiān)獄管理局獄政管理處、四川省崇州監(jiān)獄聯(lián)合課題組（2018年第7期）

炮眼數(shù)目估算公式如下：

式（1）中：q為單位炸藥消耗量（根據(jù)類似工程相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)取q=1.1 kg/m3）；S為坑道斷面面積（取34.6 m2）；α為裝藥系數(shù)（概略綜合取值為0.4）；r為炸藥密度（取1 kg/m）。

計(jì)算得：N=1.1×34.6/（0.4×1）≈95 個(gè)，實(shí)取N=87 個(gè)。

每循環(huán)炸藥總量計(jì)算公式如下：

式（2）中：η為炮孔利用率，一般為0.8～0.95，本設(shè)計(jì)取0.85。

Q=qSLη=1.1×34.6×1.2×0.85≈38.8 kg，取37.6 kg。

掏槽孔的深度L1=1.2/sin70°≈1.2 m，L2=1.2/sin90°=1.2 m；輔助孔深度L=1.2 m；拱孔深度L拱＝1.3 m；底眼長(zhǎng)度L底=1.3 m。

為鉆眼方便，根據(jù)圍巖情況，各周邊眼眼口均距輪廓線10 cm，其眼底超出開挖輪廓線10 cm。

單孔裝藥量：據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)值裝藥系數(shù)，掏槽眼α掏=0.5，輔助眼α輔=0.35～0.4，底板眼α底=0.45，幫孔α拱=0.15～0.2。

Q掏1=α掏1·r·L=0.6×1.28≈0.77 kg，取0.8 kg。

Q掏2=α掏2·r·L=0.45×1.2≈0.54 kg，取0.55 kg。

Q輔=α輔·r·L=（0.35～0.4）×1.2≈0.42～0.48 kg，取0.45 kg。

Q底=α底·r·L=0.45×1.3≈0.58 kg，取0.6 kg。

Q拱=α拱·r·L=0.2×1.3≈0.26 kg，取0.3 kg。

掏槽眼布孔及掏槽孔剖面：掏槽眼為垂直楔形掏槽，掏槽眼與開挖面間的夾角α分別為70°，上下兩對(duì)炮眼間的距離a=60 cm，同一平面上兩炮眼眼底的距離為10 cm，采用二級(jí)掏槽。同一平面兩掏槽炮眼的距離B=1.07 m，如圖5 所示。

圖5 掏槽孔剖面示意圖

4.2.2 總孔孔位布置圖

經(jīng)測(cè)量計(jì)算得車站主體結(jié)構(gòu)總孔孔位布置圖，如圖6 所示。

圖6 總孔孔位布置圖

4.2.3 炸藥用量

整個(gè)車站分九部分鉆爆開挖，循環(huán)進(jìn)尺約1.0 m，一個(gè)循環(huán)總體積為446 m3，炸藥量為363.1 kg，最大單段藥量4.8 kg，平均單耗約為0.81 kg/m3。

5 效益分析

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際對(duì)比，本工藝主要區(qū)別于常規(guī)爆破工藝的特點(diǎn)如下。

第一，經(jīng)實(shí)踐測(cè)得，相對(duì)常規(guī)爆破，隧道進(jìn)尺提高了0.1 m，降低對(duì)掌子面前方圍巖的擾動(dòng)，形成平整度較高的作業(yè)面，一定程度上降低了傾角巖層安全隱患，如圖7 所示。第二，相對(duì)于常規(guī)爆破不耦合性間隔裝藥填充的空氣柱而言，水壓爆破法其間隔裝藥結(jié)構(gòu)所采用的水袋充分利用沖擊波在水中的傳播速度比空氣中快且無(wú)損失性和爆破的封堵，充分利用了炸藥的有效能量，可節(jié)約炸藥量17%左右。第三，本工程實(shí)際最大振速均小于或等于1.0 cm/s，基本確保了周邊建（構(gòu)）筑物及既有市政道路的安全。第四，使用水袋替代空氣柱，將爆破能量分散均勻作用于巖面，有效控制爆破能量對(duì)圍巖的擾動(dòng)，降低了爆破形成“臨空面”后的陡傾角圍巖垮塌和自由下滑的不良特性，形成了較好的光面爆破效果。第五，水袋在爆破后形成的“水契”作用（即水霧與固體顆粒結(jié)合），降低了揚(yáng)塵和炮煙污染，并節(jié)約通風(fēng)時(shí)間及所用電量。

圖7 陡傾角頁(yè)巖中水壓爆破效果

6 結(jié)論

本文所述的水壓爆破法，在悅港大道地鐵車站隧道開挖過(guò)程中得到了實(shí)際應(yīng)用。實(shí)際情況表明：①該方法有效減輕了爆破施工對(duì)圍巖的擾動(dòng)，極大程度保證了圍巖的整體穩(wěn)定性；②相對(duì)于常規(guī)爆破而言，節(jié)約了爆破材料約17%；③加快了施工進(jìn)度，減少了人工成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益；④有效降低了爆破產(chǎn)生的粉塵濃度和噪聲，符合綠色環(huán)保要求，保障了施工人員的身體健康，取得了良好的社會(huì)效益。